本文選題：石墨烯　切入點(diǎn)：功能化　出處：《東北大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：石墨烯是一種新型二維碳納米材料,其具有獨(dú)特而優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì),故引起了科學(xué)界及工程界的廣泛關(guān)注。石墨烯巨大的比表面積使其成為一種潛在的固相吸附材料。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基體樣品中蛋白質(zhì)的高選擇性分離純化,本文制備了一系列功能化石墨烯復(fù)合材料,研究了其在蛋白質(zhì)選擇性分離純化中的應(yīng)用,建立了滿足不同類型的復(fù)雜基體樣品(全血,雞蛋清和細(xì)胞裂解液)中目標(biāo)蛋白質(zhì)的高選擇性分離純化方法。第一章簡(jiǎn)要綜述了石墨烯的研究歷史,結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其合成方法。概述了石墨烯的表面功能化,石墨烯復(fù)合材料的制備,以及石墨烯及其復(fù)合材料在樣品預(yù)處理等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展。第二章制備了一種新型功能化石墨烯復(fù)合材料。通過共價(jià)功能化的方式,氧化石墨烯(GO)表面依次經(jīng)過環(huán)氧氯丙烷(ECH),亞氨基二乙酸(IDA)和1-苯硼酸(1-PBA)修飾后,再進(jìn)一步螫合鎳金屬離子得到復(fù)合材料。復(fù)合材料由FT-IR, XRD, SEM, TGA和ICP-MS等手段進(jìn)行表征。結(jié)果證明上述有機(jī)分子成功修飾在石墨烯表面,得到了GO-PBA-IDA-Ni復(fù)合材料,且螯合固定的Ni2+含量為3.01×10-3 mol g-1。該復(fù)合材料對(duì)溶菌酶(Lys)表現(xiàn)良好的選擇性吸附性能。在實(shí)際操作中,采用抽濾的方式將復(fù)合材料沉積在混合纖維膜(孔徑為1.2μm)表面形成一層均勻的GO-IDA-PBA-Ni膜,厚度約為1.0μm。然后將GO-PBA-IDA-Ni復(fù)合膜固定在一個(gè)圓形的膜分離器上,并與順序注射系統(tǒng)聯(lián)用實(shí)現(xiàn)在線選擇性分離溶菌酶。當(dāng)500 μL溶液中25 0μg mL-1 Lys以5 gLs-1的載入速度流經(jīng)復(fù)合膜后,Lys的吸附效率可達(dá)96%。金屬親和作用力和靜電作用力是控制蛋白質(zhì)吸附行為的主要驅(qū)動(dòng)力。吸附在膜表面的Lys可采用含有1.0 mol L-1 NaCl和20 mmol L-1咪唑的硼酸緩沖液(pH 10)洗脫,回收率可達(dá)90%。復(fù)合膜的實(shí)際應(yīng)用能力經(jīng)選擇性分離純化雞蛋清中的Lys予以驗(yàn)證,SDS-PAGE凝膠電泳結(jié)果表明本方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基體中Lys的選擇性分離,且得到的Lys具有很高的純度。第三章采用一步水熱還原法制備了鎳納米粒子修飾的石墨烯(GP-Ni)雜化材料。在聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)的存在下,氧化石墨烯和鎳陽離子同時(shí)被水合肼還原形成雜化材料。實(shí)驗(yàn)采用XRD, TEM, SEM, XPS,拉曼及FT-IR光譜對(duì)GP-Ni雜化材料進(jìn)行表征,結(jié)果證明石墨烯表面形成了多分散的鎳納米粒子,其平均尺寸為83 nm。GP-Ni雜化材料具有鐵磁性,在10000奧斯特(Oe)下其飽和磁化強(qiáng)度為31.1 emu g-1。GP-Ni在水溶液中表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和對(duì)外加磁場(chǎng)的快速響應(yīng)性能。這些特性使GP-Ni作為一種新型磁性吸附材料用于復(fù)雜基體樣品(細(xì)胞裂解液)中六組氨酸標(biāo)簽重組蛋白的分離純化。目標(biāo)蛋白分子通過聚組氨酸基團(tuán)與鎳納米粒子之間特殊的金屬親和作用力吸附在GP-Ni雜化材料表面,SDS-PAGE凝膠電泳分析表明本方法可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞裂解液中六組氨酸標(biāo)簽Smt A蛋白的高選擇性分離。與商品化的NTA-Ni2+分離柱相比,GP-Ni雜化材料對(duì)六組氨酸標(biāo)簽重組蛋白表現(xiàn)更優(yōu)異的分離純化性能。第四章采用了一種室溫下簡(jiǎn)單且大規(guī)模合成的方法制備了氧化石墨烯-La(BTC)(H2O)6 (H3BTC=1,3,5-均苯三甲酸)金屬有機(jī)骨架復(fù)合材料(LaMOF-GOn,n=1-6,分別對(duì)應(yīng)于GO百分比為1%,2%,3%,4%,5%和10%)。復(fù)合材料通過ATR-FTIR光譜,SEM, XRD, TGA和N2吸附-解吸等溫曲線等進(jìn)行表征。GO的存在顯著地改變了復(fù)合材料的表面形貌,從細(xì)長(zhǎng)的矩形棒狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的厚塊,而且復(fù)合材料的比表面積從14.8 cm2 g-1 (LaMOFs)增加至26.6 cm2 g-1 (LaMOF-G03)。但與此同時(shí)La(BTC)(H2O)6的晶體結(jié)構(gòu)得到了保持。作為一種新型的固相萃取劑,LaMOF-GO復(fù)合材料對(duì)蛋白質(zhì)表現(xiàn)優(yōu)異的吸附性能。蛋白質(zhì)與復(fù)合材料之間強(qiáng)烈的疏水相互作用,特別是二者之間的π-π相互作用是控制蛋白質(zhì)吸附的主要驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)使用LaMOF-GO3復(fù)合材料為吸附劑時(shí),在含有0.05 mol L-1 NaCl的4 mM B-R緩沖液(pH 8)中可以實(shí)現(xiàn)血紅蛋白(Hb)的選擇性分離。吸附在材料表面的Hb可以利用pH 10的1 mM B-R緩沖液進(jìn)行有效洗脫,回收率可達(dá)63%。LaMOF-GO3復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)人全血中Hb的選擇性分離予以驗(yàn)證,SDS-PAGE凝膠電泳結(jié)果表明本方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基體樣品中Hb的選擇性分離,而且得到的Hb具有較高的純度。第五章制備了聚合離子液體(PIL)修飾的還原氧化石墨烯(rGO)。在水合肼還原過程中,聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴代鹽)(P(ViEtIm+Br-))修飾在還原氧化石墨烯納米片表面,形成了PIL-rGOo所得PIL-rGO復(fù)合物進(jìn)一步通過靜電作用自組裝在Si02納米粒子的表面。PIL-rGO@SiO2納米雜化材料對(duì)酸性蛋白質(zhì)表現(xiàn)很高的選擇性吸附。以卵清蛋白(Ova)作為酸性蛋白模型進(jìn)行研究,Ova與納米雜化材料之間強(qiáng)烈的靜電吸引力和π-π相互作用是控制蛋白質(zhì)吸附的主要驅(qū)動(dòng)力。在pH 5的4 mM B-R緩沖液中,150 mg L-1的Ova在材料表面的吸附效率可達(dá)95%。與文獻(xiàn)中用于Ova吸附的其他吸附劑相比,PIL-rGO@SiO2納米雜化材料對(duì)Ova具有超高的吸附容量,最大吸附容量為917.4 mg g-1。吸附在納米雜化材料表面的Ova可以用0.4%(w/v) SDS溶液有效洗脫,回收率可達(dá)70%。PIL-rGO@SiO2納米雜化材料的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)復(fù)雜基體樣品(雞蛋清)中Ova的選擇性分離和去除進(jìn)行驗(yàn)證。第六章總結(jié)了本論文的有關(guān)研究?jī)?nèi)容,并展望了功能化石墨烯類材料的進(jìn)一步發(fā)展及其應(yīng)用。
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【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 MA CongCong;SHAO XiaoHong;CAO DaPeng;;Nitrogen-doped graphene as an excellent candidate for selective gas sensing[J];Science China(Chemistry);2014年06期

2 胡耀娟;金娟;張卉;吳萍;蔡稱心;;石墨烯的制備、功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2010年08期

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本文編號(hào)：1606709